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機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)技術(shù)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 科視光學(xué)    2024-09-27

A、機(jī)器視覺(jué)光源技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是目標(biāo)圖像信息的采集和處理，所有用于分析和決策的信息均來(lái)源于視覺(jué)傳感器所采集的圖像之中，圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)極為關(guān)鍵。

而傳感器所采集的圖像信息則由機(jī)器視覺(jué)光源所構(gòu)成的照明系統(tǒng)所決定，機(jī)器視覺(jué)光源的輸出方式、性能表現(xiàn)、布局設(shè)計(jì)以及與待測(cè)物體的適配度等將直接影響到視覺(jué)傳感器所采集圖像的質(zhì)量和視覺(jué)分析的結(jié)果，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的決策和輸出質(zhì)量。

高質(zhì)量的照明系統(tǒng)將極大地提升視覺(jué)系統(tǒng)采集信息的信噪比，從而簡(jiǎn)化后續(xù)圖像的分割處理算法，提高機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的識(shí)別速度、識(shí)別精度與識(shí)別準(zhǔn)確度，避免了由于照明設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的目標(biāo)物體特征信息的丟失。

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，光源主要提供四大功能：

1）突出測(cè)量特征，簡(jiǎn)化圖像處理算法；

2）克服環(huán)境光的干擾，提高圖像信噪比；

3）提高視覺(jué)系統(tǒng)的定位、測(cè)量、識(shí)別精度，以及系統(tǒng)的運(yùn)行速度；

4）降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

為了在實(shí)際的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)上述功能，往往需要針對(duì)不同的目標(biāo)物體特征、工作環(huán)境等因素進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)光源系統(tǒng)的定制化設(shè)計(jì)。機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面：光源的類(lèi)型和特性、目標(biāo)物體以及所處環(huán)境的光反射和傳輸特性、光源的結(jié)構(gòu)、分布與照明方式。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足客戶(hù)需求的光源和照明方式的方案不僅需要深厚的理論知識(shí)，也需要大量反復(fù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此在光源領(lǐng)域企業(yè)需不斷積累人才和技術(shù)以形成核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

a、光源技術(shù)

特性機(jī)器視覺(jué)光源在設(shè)計(jì)時(shí)需要大量技術(shù)特性，以滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求，為機(jī)器視覺(jué)圖像傳感器提供高質(zhì)量的、突顯目標(biāo)物體特征的視覺(jué)信息。為此，需要考慮包括方向性、輸出光譜、偏振特性、輸出光強(qiáng)、均勻性、光源形狀、目標(biāo)物體的尺寸與背景、工作距離、角度等技術(shù)特性。

b、光源類(lèi)型

由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)景十分廣泛，機(jī)器視覺(jué)光源的設(shè)計(jì)往往差異較大。從發(fā)光原理上進(jìn)行劃分，機(jī)器視覺(jué)光源包括高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)?、LED 燈、氙燈等，其中 LED 由于其壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、設(shè)計(jì)自由度高、單色性好、輸出波長(zhǎng)豐富、綜合性?xún)r(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，在行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中。

c、光源照明技術(shù)

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，以及目標(biāo)物體不同的特征，需要設(shè)計(jì)不同的照明方式，以突出目標(biāo)物體的特征信息，提高信息采集的對(duì)比度、精度、準(zhǔn)確度等，并降低后續(xù)圖像識(shí)別與處理算法的難度。常見(jiàn)的照明方式包括：

1）背光照明：背光照明是一種高準(zhǔn)直度照明技術(shù)，其將光源放置在相對(duì)于視覺(jué)圖像傳感器的目標(biāo)物體背面，通過(guò)在明亮的背景下形成深色的物體輪廓來(lái)形成高對(duì)比度圖像，此時(shí)視覺(jué)傳感器所采集的光主要來(lái)源于光源。應(yīng)用背光技術(shù)精確捕捉目標(biāo)物體的輪廓圖像，但是可能會(huì)導(dǎo)致物體表面特征的丟失。

2）同軸照明：同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直于透鏡的光源通過(guò)。同軸照明技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外此技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)使表面角度變化部分高亮，因?yàn)椴淮怪庇跀z像頭鏡頭的表面反射的光不會(huì)進(jìn)入鏡頭，從而造成表面較暗。

3）暗場(chǎng)照明：暗場(chǎng)照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明，以增大光源光束至物體表面的入射角，以降低視覺(jué)傳感器中所探測(cè)到的鏡面反射成分，增加物體表面由于起伏特征所產(chǎn)生的漫反射成分，以突出目標(biāo)物體的表面特征。

4）同軸光照明：同軸光源利用分光鏡的特性，實(shí)現(xiàn)以 90 度垂直的入射角照射被測(cè)物體并以垂直的角度反射，從而消除物體表面的不平整引起的陰影，減少對(duì)目標(biāo)圖像特征信息的干擾，還可以消除反光，提高成像清晰度，使光均勻照射物體表面。

5）漫反射照明：漫反射照明通過(guò)半球形的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)立體角的高均勻性照明，減小影子及鏡面反射，以獲取更高質(zhì)量的采集圖像。

6）結(jié)構(gòu)光照明：結(jié)構(gòu)光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光（如線(xiàn)形、圓形、正方形），通過(guò)對(duì)比并分析照明結(jié)構(gòu)光與采集結(jié)構(gòu)光分布的差異，計(jì)算出物體的表明特征分布。

B、機(jī)器視覺(jué)光源控制技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)的根本目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及裝備的智能化，即根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的場(chǎng)景變化信息來(lái)自適應(yīng)改變各硬件的工作狀態(tài)、工作方式等，其實(shí)現(xiàn)除了依賴(lài)于機(jī)器視覺(jué)光源提供的照明方式外，還依賴(lài)于機(jī)器視覺(jué)光源控制器提供不同的亮度與照明模式，從而提高照明光源的品質(zhì)，獲得高質(zhì)量的圖像。機(jī)器視覺(jué)光源控制器是一種專(zhuān)用硬件設(shè)備，主要功能是接收上位機(jī)所發(fā)送的命令與參數(shù)，經(jīng)過(guò)主控制器處理后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制 LED 光源，實(shí)現(xiàn)光源的亮滅狀態(tài)、亮度、觸發(fā)等功能的調(diào)節(jié)。其主要應(yīng)用方式包括下所示：

脈沖（或頻閃）控制：當(dāng)用戶(hù)需要同步光源點(diǎn)亮?xí)r間、相機(jī)曝光時(shí)間和目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)（可精確至毫微秒的定時(shí)分辨率）

過(guò)流驅(qū)動(dòng)：當(dāng)用戶(hù)需要在自定義的短時(shí)間內(nèi)提高 LED 光源亮度（最多 10 倍的過(guò)載能力）

提供恒定電流輸出：當(dāng)用戶(hù)需要為 LED 光源提供高度穩(wěn)定恒定電流時(shí)

多光源控制體系：對(duì)于有多個(gè)光源配置的系統(tǒng)，需要亮度控制和高速同步時(shí)（包括單次或多次觸發(fā)）

遠(yuǎn)程參數(shù)配置：適用于需要遠(yuǎn)程配置協(xié)助來(lái)設(shè)置光源參數(shù)的系統(tǒng)，例如當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可高效地進(jìn)行光源的參數(shù)設(shè)置

a、光源驅(qū)動(dòng)原理

目前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)的光源基本上為 LED 光源，LED 光源是一種電流型驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光強(qiáng)度由流過(guò)該器件的電流所決定，電流的巨大變化將造成 LED 光源輸出的光照強(qiáng)度的巨變。通過(guò)光源控制器精確控制電流，實(shí)現(xiàn) LED 輸出光強(qiáng)的精確控制，是提高機(jī)器視覺(jué)感知能力、自適應(yīng)能力等的關(guān)鍵之一。

b、光源輸出模式

光源的輸出模式通?？煞譃檫B續(xù)模式和脈沖模式（頻閃模式），連續(xù)輸出模式是指光源一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，是常規(guī)光源最基本的輸出模式，此時(shí)輸出光照強(qiáng)度是唯一可調(diào)控的參數(shù)，且該模式下不允許過(guò)流驅(qū)動(dòng)。在脈沖輸出模式下，光源僅在被場(chǎng)景需要的情況下允許開(kāi)啟，由脈沖信號(hào)觸發(fā)改變其狀態(tài)，其余情況下處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要啟動(dòng)光源時(shí)，控制器將接收對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)。通過(guò)調(diào)控觸發(fā)信號(hào)響應(yīng)的延遲時(shí)間、脈沖信號(hào)的寬度、脈沖信號(hào)的強(qiáng)度等參數(shù)，可以控制光源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景的光強(qiáng)輸出應(yīng)用。

通過(guò)合理設(shè)置并應(yīng)用脈沖輸出模式，可以在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，消除采集圖像的運(yùn)動(dòng)模糊拖影，獲得清晰的圖像，十分適用于基于機(jī)器視覺(jué)的在線(xiàn)高速檢測(cè)等用途。此外，LED 是熱敏感型器件，持續(xù)高溫將大幅降低其使用壽命。由于脈沖輸出模式僅在需要的時(shí)候啟動(dòng)光源，可大幅降低光源的熱量，從而提升光源的使用壽命，降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。

c、過(guò)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在光源額定電流下，LED 光源可達(dá)到 LED 輸出亮度設(shè)計(jì)值的 100%，而通過(guò)過(guò)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可在短暫的脈沖時(shí)間內(nèi)突破 LED 額定輸出亮度的限制，實(shí)現(xiàn)超越設(shè)計(jì)極值的瞬時(shí)高亮度輸出。通過(guò)光源控制器實(shí)現(xiàn) LED 的過(guò)流驅(qū)動(dòng)，可大大抑制環(huán)境光對(duì)機(jī)器視覺(jué)傳感器的干擾。

由于機(jī)器視覺(jué)的信息采集來(lái)源于目標(biāo)圖像對(duì)外界照明光的響應(yīng)，通常情況下環(huán)境光無(wú)法完全消除，這勢(shì)必會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集的信息造成干擾。通過(guò)過(guò)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將 LED 輸出亮度提升至額定值的200%或 400%，可使視覺(jué)傳感器的曝光采集時(shí)間減半或減至四分之一，從而大幅增加來(lái)自機(jī)器視覺(jué)光源照明光強(qiáng)的占比，降低了環(huán)境光對(duì)圖像采集系統(tǒng)的干擾。

另一方面，由于過(guò)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高了來(lái)自機(jī)器視覺(jué)光源照明光強(qiáng)的占比，機(jī)器視覺(jué)圖像傳感器可配置更小的曝光孔徑而無(wú)需擔(dān)心光照不足的問(wèn)題，從而可以為光學(xué)系統(tǒng)提供更高的景深，提升圖像采集的容差能力。

此外，由于過(guò)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)大大減少了機(jī)器視覺(jué)圖像傳感器的采集時(shí)間，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)線(xiàn)可允許的運(yùn)行速度，提升了廠商的生產(chǎn)效率。

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